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在宏观层面上，宇宙完全可以由经典物理学来描述。根据广义相对论，引力可以用空间曲率来描述；麦克斯韦方程组很好地描述了电磁效应。只有在超微小的尺度上，量子效应才开始发挥作用，这表现在原子跃迁、吸收和发射线、光的偏振和真空双折射等特征上。 然而，如果把宇宙外推到最初阶段，每一个相互作用在本质上都是纯量子的。单个的量子粒子和场在小尺度上以巨大的能量相互作用，这导致了许多目前可以观测到的现象，它们都留下了量子遗产。特别地，最大的星系和超星系结构的起源也要归功于量子物理学。 那么，量子物理学如何创造出宇宙最大结构呢？ 如果我们想要了解宇宙的过去，我们只要观测离我们很遥远的宇宙就行，因为光的传播速度是有限的。举个例子，如果我们看到了100亿光年外的宇宙，那么，这相当于我们看到了100亿年前的宇宙，因为100亿光年外的光传播到地球上需要100亿年的时间。当这些光发出来时，宇宙的年龄为38亿年，那时比现在距离宇宙大爆炸更近100亿年。 当我们以这种方式观测时，我们不仅看到星系已经演化，变得更大、更红，而且整个宇宙也变得有更明显的网状结构。宇宙在最大的宇宙尺度上看起来几乎是一致的，特别是在早期。为了使这个宇宙网形成和成长，宇宙最初一定有过密和低密的区域。 宇宙大爆炸的热残余 为了知道早期宇宙的样子，我们必须要看得足够远。当我们回望到宇宙的“尽头”时，我们会看到一种十分均匀的背景辐射，它们是由宇宙中大爆炸残留下的辉光——宇宙微波背景辐射。从宇宙微波背景辐射中，可以看到早期宇宙温度存在波动，这实际上与密度波动有关，而那些区域将发展成我们今天所观测到的大规模结构。 宇宙微波背景辐射可以追溯到宇宙诞生后仅仅38万年的时间。在各个方向，无论我们在天空的什么地方观测，都能看到辐射以几乎相同的温度（2.725开氏度）向我们袭来。 不过，宇宙微波背景的温度并非完全均匀，存在一定的温度波动。虽然有些地方的温度只比平均温度差几十或几百微开尔文，但这非常重要。那些看起来稍微冷一点的区域与其他区域有同样的辐射，但是物质稍微多一点，这意味着离开这些区域的光子由于引力红移而比平均区域损失更多的能量。相反，温度略高于平均值的区域是密度较低的区域。 我们可以测量在宇宙微波背景辐射中实际观察到的东西，并计算出最初的波动是什么样的：宇宙在大爆炸开始时产生的波动，而不是在几十万年后演变成的波动。 结果表明，为了在更大或更小的尺度上观测高峰和低谷的特定模式，宇宙必须生来就具有这些波动。在更大的尺度上有稍微大的波动，在更小的尺度上有稍微小的波动，但是总体上只有几个百分点的差异。我们在现代宇宙微波背景辐射中看到的模式不仅反映了那些最初的波动是什么，而且还反映了在最初的几十万年里，随着宇宙的膨胀、冷却，它们是如何演变的。 那么，这些初始密度波动从何而来？为什么宇宙不是生来就完全平滑的呢？ 宇宙暴胀 这些问题的答案在于宇宙极早期发生了一件事情——宇宙暴胀。在宇宙充满粒子、反粒子和辐射之前，宇宙有一个阶段充满了某种真空能量，或者说是空间结构本身固有的能量。 在这个暴胀阶段，宇宙空间呈指数膨胀，空间膨胀速率远超光速。这使得宇宙中的粒子都会远离彼此，使我们的可观测宇宙在任何地方都具有相同的性质，并把宇宙拉伸到平坦的状态。 当宇宙暴胀结束时，宇宙中的全部固有能量都被转移到物质、反物质和辐射中：粒子物理标准模型和物理定律所允许的一整套粒子和场。 量子涨落 就像宇宙中的每一个场一样，任何最终导致暴胀的场本质上也必然是一个量子场。每个量子场不仅有一个随时间保持恒定的值，而且还有场波动和固有激发，这些量子波动不能被忽略。由于在暴胀期间，宇宙的能量与空间自身固有的量子场相联系，那么，这个场也会有量子涨落，这对应于比平均能量略大或略小的区域。 这些波动从非常小的尺度开始——粒子-反粒子对在非常短的时间内从量子波动中突然出现，然后发生湮灭而消失。 但是在宇宙暴胀期间，空间的结构扩张得太快，并把这些正负波动分隔到足够远的距离，以至于它们不能再次湮灭。相反，它们只是简单地延伸到整个宇宙，然后新粒子叠加在旧粒子上。到暴胀结束的时候，在我们可能观察到的每一个尺度上，宇宙都有一组尺度几乎不变的密度波动。 由于这些在暴胀期间产生的量子涨落，宇宙在大爆炸开始时，在所有的角度尺度上都会有与平均密度相差约三万分之一的空间区域。随着时间的推移，引力将瓦解密度过高的区域，并从密度过低的区域攫取物质，而辐射将流出或进入偏离平均密度的区域。 这种效应与粒子、辐射和其他粒子之间的相互作用结合在一起，形成了我们今天在宇宙微波背景辐射中看到的波动模式，以及形成大规模结构的宇宙网络的密度过高和密度过低的区域。我们可以把一切追溯到暴胀起源，这不仅与我们所观测到的宇宙相一致，而且证明了由量子场驱动暴胀的必要性。 没有量子涨落的宇宙 如果没有量子物理学，宇宙本应该是完全平滑的，空间的每个区域都有与其他区域完全相同的温度和密度。随着时间的推移，物质仍然会战胜反物质，并通过核合成形成轻元素，然后在宇宙膨胀和冷却时创造中性原子。 但在这样的宇宙中，恒星和星系无法在早期宇宙中通过引力作用形成。至少需要等上数十亿年的时间，宇宙才有可能形成第一批恒星和星系。巨大的星系团和大规模的宇宙网将无法形成，因为这些结构的种子不会在这样做的宇宙中生长。而暗能量将是最大的决定性因素，它们会阻止宇宙形成大规模结构。 之所以我们现在的宇宙中存在大规模的引力结构，皆因我们的宇宙有着量子本质。最小和最大尺度之间存在着千丝万缕的联系，渺小的量子深刻地影响着浩瀚的宇宙。 |
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